Aufgaben:Exercise 3.3: Sum of two Oscillations: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Phasenmodulation (PM)
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}}
}}


[[File:P_ID1084__Mod_A_3_3.png|right|frame|Zwei verschiedene Besselspektren]]
[[File:P_ID1084__Mod_A_3_3.png|right|frame|Two different Bessel spectra]]
Das äquivalente Tiefpass–Signal bei Phasenmodulation lautet
The equivalent low-pass signal with phase modulation, when normalized to the carrier amplitude $(A_{\rm T} = 1)$ is: 
:$$ s_{\rm TP}(t) = {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}K_{\rm PM}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}q(t) }\hspace{0.05cm},$$
:$$ s_{\rm TP}(t) = {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}K_{\rm PM}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}q(t) }\hspace{0.05cm},$$
wenn eine Normierung auf die Trägeramplitude vorgenommen wird ($A_{\rm T = 1}$). Die Modulatorkonstante wird in der gesamten Aufgabe zu $K_{PM} = \rm 1/V$ angenommen.
The modulator constant is assumed to be  $K_{\rm PM} = \rm 1/V$  throughout the task.




Die obere Grafik zeigt die dazugehörige Spektralfunktion $B_1(f)$, wenn das Quellensignal
The upper graph shows the corresponding spectral function  $B_1(f)$, when the source signal is
:$$q_1(t) = 0.9\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 1\,{\rm kHz} \cdot t)$$
:$$q_1(t) = 0.9\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 1\,{\rm kHz} \cdot t)$$
anliegt. Die Gewichte der Bessel-Diraclinien ergeben sich mit $η_1 = 0.9$ wie folgt:
The weights of the Bessel-Dirac delta lines when  $η_1 = 0.9$  are obtained as follows:
:$${\rm J}_0 (0.9)  = 0.808 \approx 0.8,\hspace{1cm}
:$${\rm J}_0 (0.9)  = 0.808 \approx 0.8,\hspace{1cm}{\rm J}_1 (0.9) = 0.406 \approx 0.4,$$
{\rm J}_1 (0.9) = 0.406 \approx 0.4,$$  
:$${\rm J}_2 (0.9)  = 0.095 \approx 0.1,\hspace{1cm}{\rm J}_3 (0.9)  \approx {\rm J}_4 (0.9) \approx\ \text{ ...} \  \approx 0 \hspace{0.05cm}.$$
:$${\rm J}_2 (0.9)  = 0.095 \approx 0.1,\hspace{1cm}  
Use the approximations given in the graph to simplify the calculations.
{\rm J}_3 (0.9)  \approx {\rm J}_4 (0.9) \approx\ \text{ ...} \  \approx 0 \hspace{0.05cm}.$$
Verwenden Sie zur Vereinfachung der Berechnungen die in der Skizze angegebenen Näherungswerte.


Die Besselfunktion $B_2(f)$ ergibt sich für das Quellensignal
The Bessel function  $B_2(f)$  is obtained for the source signal
:$$q_2(t) = 0.65\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 3\,{\rm kHz} \cdot t)$$
:$$q_2(t) = 0.65\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 3\,{\rm kHz} \cdot t)$$
Die Zahlenwerte der Diraclinien erhält man hier  aus folgender Angabe:
The numerical values of the Dirac delta lines are obtained from the following:
:$${\rm J}_0 (0.65) = 0.897 \approx 0.9,\hspace{0.3cm}{\rm J}_1 (0.65) = 0.308 \approx 0.3, \hspace{0.3cm}{\rm J}_2 (0.65) = 0.051 \approx 0\hspace{0.05cm}.$$
:$${\rm J}_0 (0.65) = 0.897 \approx 0.9,\hspace{0.3cm}{\rm J}_1 (0.65) = 0.308 \approx 0.3, \hspace{0.3cm}{\rm J}_2 (0.65) = 0.051 \approx 0\hspace{0.05cm}.$$
Aus der Grafik ist zu erkennen, dass aufgrund des cosinusförmigen Quellensignals $q_2(t)$ und des cosinusförmigen Trägersignals $z(t)$ die Spektrallinien bei $±3 \ \rm kHz$ jeweils positiv–imaginär sind.
From the graph, it can be seen that due to the cosine source signal  $q_2(t)$  and the cosine carrier signal $z(t)$ , the spectral lines at $±3 \ \rm kHz$  are both positive and imaginary.


Im Rahmen dieser Aufgabe soll nun der Fall untersucht werden, dass das Quellensignal
In the context of this task, we will now investigate the case where the source signal
:$$q(t) = q_1(t) + q_2(t)$$
:$$q(t) = q_1(t) + q_2(t)$$
am Eingang des Phasenmodulators anliegt. Zu erwähnen ist, dass $|q(t)| < q_{max} = 1.45 \ \rm V$ gilt. Dieser Maximalwert ist etwas kleiner als die Summe $A_1 + A_2$ der Einzelamplituden, wenn eine Sinus– und eine Cosinusfunktion mit den gegebenen Amplituden aufaddiert werden.
is applied to the input of the phase modulator.  
*It is worth mentioning that &nbsp;$|q(t)| < q_{\rm max} = 1.45 \ \rm V$&nbsp;.  
*This maximum value is slightly smaller than the sum &nbsp;$A_1 + A_2$&nbsp;of the individual amplitudes when a sine and a cosine function with the given amplitudes are added up.


Im Fragebogen bezeichnen
*$S_{\rm TP}(f)$ die Spektralfunktion des  äquivalenten TP–Signals,
*$S_+(f)$ die Spektralfunktionen des analytischem Signals,


jeweils unter der Annahme, dass $q(t) = q_1(t) + q_2(t)$ anliegt und die Trägerfrequenz $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$ beträgt.
In the following questionnaire,  
*$S_{\rm TP}(f)$&nbsp; denotes the spectral function of the equivalent low-pass signal,
*$S_+(f)$&nbsp; denotes the spectral functions of the analytic signal,




''Hinweise:''
in both cases assuming that &nbsp;$q(t) = q_1(t) + q_2(t)$&nbsp; holds and that the carrier frequency is&nbsp;$f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$&nbsp;.
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)|Phasenmodulation]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)#.C3.84quivalentes_TP.E2.80.93Signal_bei_Phasenmodulation|Äquivalentes Tiefpass-Signal bei Phasenmodulation]].
*Die Werte der Besselfunktionen findet man in Formelsammlungen  in tabellarischer Form.
*Sie können zur Lösung dieser Aufgabe auch das Interaktionsmodul [[Werte der Besselfunktion erster Art und n–ter Ordnung]] nutzen.
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.




===Fragebogen===
 
 
 
 
 
 
 
''Hints:''
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)|Phase Modulation]].
*Particular reference is made to the page&nbsp;  [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)#Equivalent_low-pass_signal_in_phase_modulation|Equivalent low-pass signal in phase modulation]].
*The values of the Bessel functions can be found in formula collections in table form.
*You can also use the interactive applet &nbsp; [[Applets:Bessel_functions_of_the_first_kind| Bessel functions of the first kind]]&nbsp; to solve this task.
 
 
 
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Es gelte $q(t) = q_1(t)+q_2(t)$. Welche geometrische Figur beschreibt die angegebene Ortskurve $s_{\rm TP}(t)$?
{Let &nbsp;$q(t) = q_1(t)+q_2(t)$.&nbsp; Which geometric figure describes the given locus curve&nbsp;$s_{\rm TP}(t)$?
|type="[]"}
|type="()"}
- Die Ortskurve ist eine Ellipse.
- The locus curve is an ellipse.
- Die Ortskurve ist ein Kreis.
- The locus curve is a circle.
+ Die Ortskurve ist näherungsweise ein Halbkreis.
+ The locus curve is approximately a semi-circle.
- Die Ortskurve ist ein Kreisbogen, etwa mit Öffnungswinkel $90^\circ$.
- The locus curve is an arc, with an approximate opening angle of  &nbsp;$90^\circ$.


{Berechnen Sie die Spektralfunktion $S_{\rm TP}(f)$. Zwischen welchen Frequenzen $f_{\rm min}$ und $f_{\rm max}$ liegen Spektrallinien?
{Calculate the spectral function&nbsp;$S_{\rm TP}(f)$.&nbsp; Between what frequencies &nbsp;$f_{\rm min}$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm max}$&nbsp; do the spectral lines lie?
|type="{}"}
|type="{}"}
$f_{\rm min} \ = \ $ { -5.15--4.85 } $\ \rm kHz$
$f_{\rm min} \ = \ $ { -5.15--4.85 } $\ \rm kHz$
$f_{\rm max} \ = \ ${ 5 3% } $\ \rm kHz$
$f_{\rm max} \ = \ ${ 5 3% } $\ \rm kHz$


{Berechnen Sie das Gewicht der Diracfunktion bei $f = 0$.
{Calculate the weight of the Dirac function at &nbsp;$f = 0$.
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm Re}[S_{\rm TP}(f = 0)] \ = \ $ { 0.72 3% }
${\rm Re}\big[S_{\rm TP}(f = 0)\big] \ = \ $ { 0.72 3% }
${\rm Im}[S_{\rm TP}(f = 0)] \ = \ $ { 0. }
${\rm Im}\big[S_{\rm TP}(f = 0)\big] \ = \ $ { 0. }


{Berechnen Sie das Gewicht der Diracfunktion bei $f = 1\ \rm  kHz$.
{Calculate the weight of the Dirac function at &nbsp;$f = 1\ \rm  kHz$.
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm Re}[S_{\rm TP}(f = 1 \ \rm  kHz)] \ = \ $ { 0.36 3% }
${\rm Re}\big[S_{\rm TP}(f = 1 \ \rm  kHz)\big] \ = \ $ { 0.36 3% }
${\rm Im}[S_{\rm TP}(f = 1 \ \rm  kHz)] \ = \ $ { 0.03 3% }
${\rm Im}\big[S_{\rm TP}(f = 1 \ \rm  kHz)\big] \ = \ $ { 0.03 3% }


{Berechnen Sie das Gewicht der $S_+(f)$–Diracfunktion bei $f = 98 \ \rm kHz$.
{Calculate the weight of the &nbsp;$S_+(f)$–Dirac function at &nbsp;$f = 98 \ \rm kHz$.
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm Re}[S_{\rm +}(f = 98 \ \rm  kHz)] \ = \ $ { 0.09 3% }
${\rm Re}\big[S_{\rm +}(f = 98 \ \rm  kHz)\big] \ = \ $ { 0.09 3% }
${\rm Im}[S_{\rm +}(f = 98 \ \rm  kHz)] \ = \ $ { 0.12 3% }
${\rm Im}\big[S_{\rm +}(f = 98 \ \rm  kHz)\big] \ = \ $ { 0.12 3% }
</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist die <u>dritte Antwort</u>:
'''(1)'''&nbsp; The <u>third answer</u> is correct:
*Bei Winkelmodulation bewegt sich der komplexe Zeiger $s_{\rm TP}(t)$ stets auf einem Kreisbogen, dessen Öffnungswinkel $2 · K_{\rm PM} · q_{\rm max} = 2 \cdot  {\rm 1/V} \cdot 1.45 \ \rm V = 2.9 \ \rm rad \approx 166^\circ$ beträgt.
*In angle modulation, the complex pointer &nbsp; $s_{\rm TP}(t)$&nbsp; always moves on a circular arc with the following opening angle:
*Mit der (zugegebenermaßen sehr groben) Näherung $166^\circ \approx 180^\circ$ ergibt sich tatsächlich ein Halbkreis.  
:$$2 · K_{\rm PM} · q_{\rm max} = 2 \cdot  {\rm 1/V} \cdot 1.45 \ \rm V = 2.9 \ \rm rad \approx 166^\circ.$$
*Using the (admittedly very rough) approximation&nbsp; $166^\circ \approx 180^\circ$&nbsp; we indeed get a semicircle.  




'''(2)'''&nbsp; Es gilt $S_{\rm TP}(f) = B_1(f) ∗ B_2(f)$. Da $B_1(f)$ auf Frequenzen $|f| ≤ 2 \ \rm kHz$ und $B_2(f)$ auf den Bereich $±3 \ \rm  kHz$ begrenzt sind, ist das Faltungsprodukt auf $|f| ≤ 5 \ \rm kHz$ beschränkt. Daraus folgt:  
 
'''(2)'''&nbsp; In general, &nbsp; $S_{\rm TP}(f) = B_1(f) ∗ B_2(f)$ holds.  
*Since&nbsp; $B_1(f)$&nbsp; is limited to the frequencies &nbsp; $|f| ≤ 2 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $B_2(f)$&nbsp; is limited to the range &nbsp; $±3 \ \rm  kHz$&nbsp;, the convolution product is limited to&nbsp; $|f| ≤ 5 \ \rm kHz$&nbsp;.  
*It follows that:  
:$$f_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= -5 \ \rm kHz},$$  
:$$f_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= -5 \ \rm kHz},$$  
:$$f_{\rm max} \hspace{0.15cm}\underline {=+5 \ \rm kHz}.$$  
:$$f_{\rm max} \hspace{0.15cm}\underline {=+5 \ \rm kHz}.$$  




'''(3)'''&nbsp; Das Faltungsprodukt für die Frequenz $f = 0$ ergibt sich durch Multiplikation von $B_1(f)$ mit $B_2(f)$ und anschließender Summation.  
 
*Nur für $f = 0$ sind sowohl $B_1(f)$ als auch $B_2(f)$ von Null verschieden.  
'''(3)'''&nbsp; The convolution product for frequency &nbsp; $f = 0$&nbsp; results from multiplying&nbsp; $B_1(f)$&nbsp; with&nbsp; $B_2(f)$&nbsp; and  summing.  
*Damit erhält man:
*Only for &nbsp; $f = 0$&nbsp; are both&nbsp; $B_1(f)$&nbsp; and&nbsp; $B_2(f)$&nbsp; non-zero.  
*Thus, we get:
:$$ S_{\rm TP}(f = 0) = B_{1}(f = 0) \cdot B_{2}(f = 0)= 0.8 \cdot 0.9 \hspace{0.15cm}\underline {= 0.72}\hspace{0.2cm}{\rm (rein \hspace{0.15cm} reell)} \hspace{0.05cm}.$$
:$$ S_{\rm TP}(f = 0) = B_{1}(f = 0) \cdot B_{2}(f = 0)= 0.8 \cdot 0.9 \hspace{0.15cm}\underline {= 0.72}\hspace{0.2cm}{\rm (rein \hspace{0.15cm} reell)} \hspace{0.05cm}.$$




'''(4)'''&nbsp; Nun muss vor der Multiplikation und Summation noch eine Frequenzverschiebung von $B_2(f)$ nach rechts oder von $B_1(f)$ nach links – um $1 \ \rm kHz$ erfolgen. Somit erhält man:
 
:$$S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz}) =  B_{1}(f = -2\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f = 3\,{\rm kHz})  
'''(4)'''&nbsp; Now, before multiplication and summation there needs to be a frequency shift of &nbsp; $B_2(f)$&nbsp; to the right or of&nbsp; $B_1(f)$&nbsp; to the left– by &nbsp; $1 \ \rm kHz$&nbsp;.&nbsp; This gives:
+  B_{1}(f = 1\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f = 0)
:$$S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz}) =  B_{1}(f = -2\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f = 3\,{\rm kHz})+  B_{1}(f = 1\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f = 0)= 0.1 \cdot {\rm j} \cdot 0.3 + 0.4 \cdot 0.9\hspace{0.15cm} = 0.36 + {\rm j} \cdot 0.03$$
= 0.1 \cdot {\rm j} \cdot 0.3 + 0.4 \cdot 0.9\hspace{0.15cm} = 0.36 + {\rm j} \cdot 0.03$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.36} \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} {\rm Im}[S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.03} \hspace{0.05cm}.$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.36} \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} {\rm Im}[S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.03} \hspace{0.05cm}.$$




'''(5)'''&nbsp; Die Diraclinie $S_+(f = 98 \ \rm kHz)$ entspricht der $S_{\rm TP}(f)$–Linie bei $f = -2 \ \rm kHz$. Diese ist
 
:$$S_{\rm TP}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -2\,{\rm kHz}) \hspace{-0.03cm}=\hspace{-0.03cm}  B_{1}(f = -2\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 0) +
'''(5)'''&nbsp; The Dirac delta line&nbsp; $S_+(f = 98 \ \rm kHz)$&nbsp; corresponds to the &nbsp; $S_{\rm TP}(f)$–line at&nbsp; $f = -2 \ \rm kHz$.&nbsp; This is
B_{1}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 1\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -3\,{\rm kHz})= 0.1 \cdot 0.9 + 0.4 \cdot {\rm j} \cdot 0.3 \hspace{0.15cm}\hspace{-0.03cm}=\hspace{-0.03cm} 0.09 + {\rm j} \cdot 0.12$$
:$$S_{\rm TP}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -2\,{\rm kHz}) \hspace{-0.03cm}=\hspace{-0.03cm}  B_{1}(f = -2\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 0) +B_{1}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 1\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -3\,{\rm kHz})= 0.1 \cdot 0.9 + 0.4 \cdot {\rm j} \cdot 0.3 \hspace{0.15cm}\hspace{-0.03cm}=\hspace{-0.03cm} 0.09 + {\rm j} \cdot 0.12$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[S_{\rm +}(f = 98\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.09} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} {\rm Im}[S_{\rm +}(f = 98\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.12} \hspace{0.05cm}.$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[S_{\rm +}(f = 98\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.09} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} {\rm Im}[S_{\rm +}(f = 98\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.12} \hspace{0.05cm}.$$


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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^3.1 Phasenmodulation (PM)^]]
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^3.1 Phase Modulation^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 3.3: Summe zweier Schwingungen]]

Latest revision as of 17:56, 16 March 2026

Two different Bessel spectra

The equivalent low-pass signal with phase modulation, when normalized to the carrier amplitude $(A_{\rm T} = 1)$ is: 

$$ s_{\rm TP}(t) = {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}K_{\rm PM}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}q(t) }\hspace{0.05cm},$$

The modulator constant is assumed to be  $K_{\rm PM} = \rm 1/V$  throughout the task.


The upper graph shows the corresponding spectral function  $B_1(f)$, when the source signal is

$$q_1(t) = 0.9\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 1\,{\rm kHz} \cdot t)$$

The weights of the Bessel-Dirac delta lines when  $η_1 = 0.9$  are obtained as follows:

$${\rm J}_0 (0.9) = 0.808 \approx 0.8,\hspace{1cm}{\rm J}_1 (0.9) = 0.406 \approx 0.4,$$
$${\rm J}_2 (0.9) = 0.095 \approx 0.1,\hspace{1cm}{\rm J}_3 (0.9) \approx {\rm J}_4 (0.9) \approx\ \text{ ...} \ \approx 0 \hspace{0.05cm}.$$

Use the approximations given in the graph to simplify the calculations.

The Bessel function  $B_2(f)$  is obtained for the source signal

$$q_2(t) = 0.65\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 3\,{\rm kHz} \cdot t)$$

The numerical values of the Dirac delta lines are obtained from the following:

$${\rm J}_0 (0.65) = 0.897 \approx 0.9,\hspace{0.3cm}{\rm J}_1 (0.65) = 0.308 \approx 0.3, \hspace{0.3cm}{\rm J}_2 (0.65) = 0.051 \approx 0\hspace{0.05cm}.$$

From the graph, it can be seen that due to the cosine source signal  $q_2(t)$  and the cosine carrier signal $z(t)$ , the spectral lines at $±3 \ \rm kHz$  are both positive and imaginary.

In the context of this task, we will now investigate the case where the source signal

$$q(t) = q_1(t) + q_2(t)$$

is applied to the input of the phase modulator.

  • It is worth mentioning that  $|q(t)| < q_{\rm max} = 1.45 \ \rm V$ .
  • This maximum value is slightly smaller than the sum  $A_1 + A_2$ of the individual amplitudes when a sine and a cosine function with the given amplitudes are added up.


In the following questionnaire,

  • $S_{\rm TP}(f)$  denotes the spectral function of the equivalent low-pass signal,
  • $S_+(f)$  denotes the spectral functions of the analytic signal,


in both cases assuming that  $q(t) = q_1(t) + q_2(t)$  holds and that the carrier frequency is $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$ .





Hints:


Questions

1 Let  $q(t) = q_1(t)+q_2(t)$.  Which geometric figure describes the given locus curve $s_{\rm TP}(t)$?

The locus curve is an ellipse.
The locus curve is a circle.
The locus curve is approximately a semi-circle.
The locus curve is an arc, with an approximate opening angle of  $90^\circ$.

2 Calculate the spectral function $S_{\rm TP}(f)$.  Between what frequencies  $f_{\rm min}$  and  $f_{\rm max}$  do the spectral lines lie?

$f_{\rm min} \ = \ $ $\ \rm kHz$
$f_{\rm max} \ = \ $ $\ \rm kHz$

3 Calculate the weight of the Dirac function at  $f = 0$.

${\rm Re}\big[S_{\rm TP}(f = 0)\big] \ = \ $
${\rm Im}\big[S_{\rm TP}(f = 0)\big] \ = \ $

4 Calculate the weight of the Dirac function at  $f = 1\ \rm kHz$.

${\rm Re}\big[S_{\rm TP}(f = 1 \ \rm kHz)\big] \ = \ $
${\rm Im}\big[S_{\rm TP}(f = 1 \ \rm kHz)\big] \ = \ $

5 Calculate the weight of the  $S_+(f)$–Dirac function at  $f = 98 \ \rm kHz$.

${\rm Re}\big[S_{\rm +}(f = 98 \ \rm kHz)\big] \ = \ $
${\rm Im}\big[S_{\rm +}(f = 98 \ \rm kHz)\big] \ = \ $


Solution

(1)  The third answer is correct:

  • In angle modulation, the complex pointer   $s_{\rm TP}(t)$  always moves on a circular arc with the following opening angle:
$$2 · K_{\rm PM} · q_{\rm max} = 2 \cdot {\rm 1/V} \cdot 1.45 \ \rm V = 2.9 \ \rm rad \approx 166^\circ.$$
  • Using the (admittedly very rough) approximation  $166^\circ \approx 180^\circ$  we indeed get a semicircle.


(2)  In general,   $S_{\rm TP}(f) = B_1(f) ∗ B_2(f)$ holds.

  • Since  $B_1(f)$  is limited to the frequencies   $|f| ≤ 2 \ \rm kHz$  and  $B_2(f)$  is limited to the range   $±3 \ \rm kHz$ , the convolution product is limited to  $|f| ≤ 5 \ \rm kHz$ .
  • It follows that:
$$f_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= -5 \ \rm kHz},$$
$$f_{\rm max} \hspace{0.15cm}\underline {=+5 \ \rm kHz}.$$


(3)  The convolution product for frequency   $f = 0$  results from multiplying  $B_1(f)$  with  $B_2(f)$  and summing.

  • Only for   $f = 0$  are both  $B_1(f)$  and  $B_2(f)$  non-zero.
  • Thus, we get:
$$ S_{\rm TP}(f = 0) = B_{1}(f = 0) \cdot B_{2}(f = 0)= 0.8 \cdot 0.9 \hspace{0.15cm}\underline {= 0.72}\hspace{0.2cm}{\rm (rein \hspace{0.15cm} reell)} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Now, before multiplication and summation there needs to be a frequency shift of   $B_2(f)$  to the right – or of  $B_1(f)$  to the left– by   $1 \ \rm kHz$ .  This gives:

$$S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz}) = B_{1}(f = -2\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f = 3\,{\rm kHz})+ B_{1}(f = 1\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f = 0)= 0.1 \cdot {\rm j} \cdot 0.3 + 0.4 \cdot 0.9\hspace{0.15cm} = 0.36 + {\rm j} \cdot 0.03$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.36} \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} {\rm Im}[S_{\rm TP}(f = 1\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.03} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  The Dirac delta line  $S_+(f = 98 \ \rm kHz)$  corresponds to the   $S_{\rm TP}(f)$–line at  $f = -2 \ \rm kHz$.  This is

$$S_{\rm TP}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -2\,{\rm kHz}) \hspace{-0.03cm}=\hspace{-0.03cm} B_{1}(f = -2\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 0) +B_{1}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 1\,{\rm kHz}) \cdot B_{2}(f \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -3\,{\rm kHz})= 0.1 \cdot 0.9 + 0.4 \cdot {\rm j} \cdot 0.3 \hspace{0.15cm}\hspace{-0.03cm}=\hspace{-0.03cm} 0.09 + {\rm j} \cdot 0.12$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Re}[S_{\rm +}(f = 98\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.09} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} {\rm Im}[S_{\rm +}(f = 98\,{\rm kHz})] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.12} \hspace{0.05cm}.$$